Les chercheurs ont développé une technique optique avancée pour découvrir les propriétés cachées du matériau quantique Ta2NiSe5 (TNS) à l’aide de la lumière. En utilisant la spectroscopie térahertz dans le domaine temporel, l’équipe a observé une amplification anormale de la lumière térahertz, indiquant la présence d’un condensat d’exciton. Cette découverte ouvre de nouvelles possibilités d’utilisation de matériaux quantiques dans des sources de lumière intriquées et d’autres applications en physique quantique. Crédit : Issues.fr.com
Les scientifiques ont utilisé une technique basée sur le laser pour révéler les propriétés quantiques cachées du matériau Ta2NiSe5, faisant potentiellement progresser le développement de sources de lumière quantique.
Certains matériaux ont des propriétés souhaitables qui sont cachées, et tout comme vous utiliseriez une lampe de poche pour voir dans l’obscurité, les scientifiques peuvent utiliser la lumière pour découvrir ces propriétés.
Des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego ont utilisé une technique optique avancée pour en apprendre davantage sur un matériau quantique appelé Ta.2NiSe5 (TNS). Leurs travaux ont été publiés dans la revue Matériaux naturels.
Les matériaux peuvent être perturbés par différents stimuli externes, souvent avec des changements de température ou de pression ; Cependant, comme la lumière est l’élément le plus rapide de l’univers, les matériaux réagissent très rapidement aux stimuli optiques, révélant des propriétés qui autrement resteraient cachées.
Grâce à une technique améliorée donnant accès à une gamme de fréquences plus large, l’équipe a pu découvrir certaines des propriétés cachées du condensat de l’exciton TNS. Crédit : Cheikh Rubaiat Ul Haque / Université de Stanford
Techniques optiques avancées dans les matériaux quantiques
« Essentiellement, nous dirigeons un laser sur un matériau et c’est comme une photographie stop-action où nous pouvons suivre progressivement une certaine propriété de ce matériau », a déclaré le professeur de physique Richard Averitt, qui a dirigé la recherche et est l’un des auteurs de l’article. « En examinant comment les particules constitutives se déplacent dans ce système, nous pouvons découvrir ces propriétés qui sont vraiment difficiles à trouver autrement. »
L’expérience a été menée par l’auteur principal Sheikh Rubaiat Ul Haque, diplômé de l’UC San Diego en 2023 et maintenant chercheur postdoctoral à l’Université de Stanford. Lui et Yuan Zhang, un autre étudiant diplômé du laboratoire d’Averitt, ont amélioré une technique appelée spectroscopie dans le domaine temporel térahertz. Cette technique permet aux scientifiques de mesurer les propriétés d’un matériau sur une gamme de fréquences, et les améliorations apportées par Haque leur ont permis d’accéder à une gamme de fréquences plus large.
États quantiques et amplification de la lumière
Le travail était basé sur une théorie créée par un autre auteur de l’article, Eugene Demler, professeur à l’ETH Zürich. Demler et son étudiant diplômé Marios Michael ont développé l’idée selon laquelle lorsque certains matériaux quantiques sont excités par la lumière, ils peuvent se transformer en un milieu qui amplifie la lumière à la fréquence térahertz. Cela a conduit Haque et ses collègues à examiner de près les propriétés optiques du TNS.
Lorsqu’un électron est excité à un niveau supérieur par un photon, il laisse un trou. Si l’électron et le trou sont liés, un exciton est créé. Les excitons peuvent également former un condensat, un état qui se produit lorsque les particules se rassemblent et se comportent comme une seule entité.
La technique de Haque, soutenue par la théorie de Demler et utilisant les calculs fonctionnels de densité effectués par le groupe d’Angel Rubio à l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière, l’équipe a pu observer une amplification anormale de la lumière térahertz, qui a révélé certaines des propriétés cachées de l’exciton du TNS. condensat.
Les condensats sont un état quantique bien défini et l’utilisation de cette technique spectroscopique pourrait permettre d’imprimer certaines de leurs propriétés quantiques sur la lumière. Cela pourrait avoir des implications dans le domaine émergent des sources de lumière intriquées (où plusieurs sources de lumière ont des propriétés interconnectées) utilisant des matériaux quantiques.
« Je pense que c’est un domaine très ouvert », a déclaré Haque. « La théorie de Demler peut être appliquée à une suite d’autres matériaux dotés de propriétés optiques non linéaires. Avec cette technique, nous pouvons découvrir de nouveaux phénomènes induits par la lumière qui n’ont jamais été explorés auparavant.
Un financement assuré par le DARPA Programme DRINQS (D18AC00014), Fonds national suisse (200021_212899), Army Research Office (W911NF-21-1-0184), Conseil européen de la recherche (ERC-2015-AdG694097), pôle d’excellence ‘Advanced Imaging of Matter’ (AIM), Grupos Consolidados (IT1249-19), Deutsche Forschungsgemeinschaft (170620586) et Flatiron Institute.
